Первый в мире коллайдер тяжелых ионов разогнал ядра золота до скорости света

Учёные в США использовали первый в мире коллайдер тяжёлых ионов, чтобы столкнуть ядра золота на скорости, близкой к скорости света, и исследовать одну из самых плотных форм ядерной материи, когда-либо созданных в лаборатории. Для исследования команда использовала детектор STAR на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) Министерства энергетики США (DOE). Учёные обнаружили необычное снижение флуктуаций импульса частиц.

Это открытие может пролить свет на фазовые переходы ядерной материи и поиски критической точки. Падение наблюдалось при столкновениях с более низкими энергиями, которые сжимают ядерную материю до экстремальных плотностей, подобных тем, которые существуют внутри нейтронных звёзд. Отклонение от ожидаемой плавной тенденции имело статистическую значимость около 5 сигм. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Экстремальная ядерная материя

RHIC работал в BNL с 2000 по 2026 год и был создан для исследования экзотических форм ядерной материи путем столкновения тяжёлых атомных ядер, таких как золото, на скорости, близкой к скорости света. Он прекратил работу после завершения последних операций 6 февраля 2026 года, исследовав материю в различных режимах:

При самых высоких энергиях столкновений установка фактически могла расплавлять границы протонов и нейтронов, а также высвобождать их составляющие — кварки и глюоны. В результате образуется кварк-глюонная плазма — экзотическое состояние материи, которое, как считается, заполняло Вселенную вскоре после Большого взрыва. Столкновения при более низких энергиях, напротив, не разрушают протоны и нейтроны полностью. Вместо этого они сжимают ядерную материю до огромных плотностей.

Столкновение ядер золота

В рамках последнего исследования команда проанализировала столкновения атомов золота с атомами золота при энергиях от 3 до 7,7 млрд электронвольт (ГэВ). Для лучшего понимание ученые сравнили полученные результаты с ранее опубликованными данными измерений STAR, охватывающими энергии до 200 ГэВ.

Учёные проекта STAR измеряли, насколько изменялся импульс частиц от одного столкновения к другому. Поскольку частицы более горячей материи обычно обладает большим импульсом, и эти изменения демонстрировали, как температура огненного шара изменяется от столкновения к столкновению.

Поиск критической точки

Флуктуации импульса резко уменьшались с ростом энергии столкновения от 3 ГэВ. Они достигали минимума примерно при 5,2–7,7 ГэВ, после чего снова начинали расти при более высоких энергиях. Это падение может указывать на подавление флуктуаций температуры — — явление, которое теории предсказывают вблизи критической точки.

Вблизи этой точки материя может поглощать энергию, не изменяя при этом свою температуру так сильно. Критическая точка обозначила бы изменение способа перехода ядерной материи между различными фазами. При самых высоких энергиях в RHIC этот переход происходит постепенно, тогда как при более высоких плотностях учёные ожидают резкого изменения фазы. Определение места, где меняется такое поведение, может помочь физикам найти критическую точку.

Результаты неоднозначны

Хотя это падение согласуется с другими возможными признаками поведения вблизи критической точки, которые STAR наблюдал при низких энергиях, команда подчеркнула, что это не доказывает существование критической точки.

Исследователи также сравнили свои измерения с прогнозами модели многофазного переноса (A Multi-Phase Transport), которая не учитывает поведение критической точки. Модель не смогла воспроизвести наблюдаемое падение. В то же время команда предупредила, что это всё равно не подтверждает существование критической точки.

Источник: Interesting Engineering